初始滲流場對渣土場邊坡降雨入滲特征及其穩(wěn)定性的影響

李丞　蔡立明　張偉鋒　侯建香　董凱　蘇立君

摘 要：渣土場是容納棄土和棄渣的主要場所，由于堆填材料和壓實方法的差異性，研究初始滲流場對計算渣土場邊坡的降雨入滲特征及其穩(wěn)定性的影響具有現(xiàn)實意義。以深圳市部九窩渣土場邊坡為研究對象，運用非飽和滲流原理和非飽和土強度理論建立數(shù)值計算模型，設(shè)計了不同初始滲流條件和不同降雨強度的計算方案，揭示了渣土場邊坡在降雨作用下的滲流特征及其安全系數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明：初始滲流場和降雨強度對渣土場邊坡的降雨入滲特征和穩(wěn)定性影響顯著;豎直方向流速峰值和孔隙水壓力上升速率與初始基質(zhì)吸力呈正相關(guān)關(guān)系;當(dāng)降雨強度為3.5 mm/h，監(jiān)測點1在初始基質(zhì)吸力為-25、-50、-75 kPa時達到飽和的時間分別為10.9、20.2、25.5 h;豎直方向流速、體積含水率上升速度和孔隙水壓力上升速率與降雨強度呈正相關(guān)關(guān)系;在初始基質(zhì)吸力為-25 kPa和降雨強度為3.5 mm/h時，渣土場邊坡安全系數(shù)下降明顯，需要采取必要的工程措施。

關(guān)鍵詞：渣土場;邊坡;滲流場;滲流特征;邊坡穩(wěn)定性

中圖分類號：TU431? ?文獻標(biāo)志碼：A ??文章編號：2096-6717（2021）02-0001-9

Abstract： The municipal solid waste landfill is the main place to hold the waste soil and slag.Due to the difference? in the filling material and the compaction method， it is of practical significance to study the influence of initial seepage field on the calculation of rainfall infiltration characteristics and stability of the municipal solid waste landfill.Therefore， taking the municipal solid waste landfill in Bujiuwo， Shenzhen as the research object， a numerical calculation model was established based on the unsaturated seepage principle and unsaturated soil strength theory.The calculation schemes of different initial seepage conditions and rainfall intensities are designed. Then the seepage characteristics and the variation law of safety factor of the slope under rainfall are revealed. The results show that the initial seepage field and rainfall intensity have significant influence on the rainfall infiltration characteristics and therefore stability of the municipal solid waste landfill. The peak value of vertical velocity and the increase rate of pore water pressure are positively correlated with the initial matrix suction. When the rainfall intensity is 3.5 mm/h， the saturation time of monitoring point 1 is 10.9， 20.2， 25.5 h? and the corresponding initial matrix suction? equals to -25， -50， -75 kPa， respectively.Rainfall intensity，velocity of flow and volume water content? are positively correlated with pore water pressure in vertical direction.When the initial matrix suction is -25 kPa and the rainfall intensity is 3.5 mm/h， the safety factor of the waste dump slope decreases obviously，? and necessary engineering measures should be taken.

Keywords：municipal solid waste landfill; slope; seepage field; seepage characteristics; slope stability

隨著城市化進程的加快，產(chǎn)生了以大量廢土和廢渣為主的余泥渣土，對城市固體廢棄物的管理和城市規(guī)劃提出了挑戰(zhàn)[1]，而填埋是最常見的渣土處理方法[2]。對于渣土場邊坡而言，其穩(wěn)定性受填料性質(zhì)、施工工藝、降雨、地下水位等影響[3-4]，在眾多因素中，降雨入滲將導(dǎo)致渣土場邊坡含水率增加、基質(zhì)吸力降低和地下水位上升，這是渣土邊坡變形與穩(wěn)定性下降的主要原因之一[5-7]。

降雨作用下渣土場邊坡的滲流特征和穩(wěn)定性的研究主要集中在幾個方面：1）降雨強度和初始含水率對滲濾液產(chǎn)量的影響[8-9];2）降雨模式和降雨強度對邊坡水分運移及其穩(wěn)定性的影響[10-11];3）降雨模式和降雨強度對填埋場覆蓋層滲流特性的影響[12-13];4）降雨強度對渣土場邊坡變形破壞特征的影響[14-15]。以上成果對于理解渣土場邊坡的水分運移規(guī)律和穩(wěn)定性計算起到了關(guān)鍵的作用。然而，上述研究鮮有涉及初始滲流場對渣土場邊坡降雨入滲機制的影響。值得注意的是，在常規(guī)邊坡的研究中，學(xué)者們分析了初始滲流場對降雨作用下邊坡滲流特征和穩(wěn)定性的影響[16-18]。其中，唐棟等[17]研究了不同初始滲流條件對不同土體邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，初始滲流條件對邊坡安全系數(shù)影響很大，并建議將多年平均降雨量對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)滲流場作為初始滲流條件。何忠明等[19]比較了4類初始滲流場對邊坡降雨入滲過程的影響，發(fā)現(xiàn)初始滲流場分布形式對降雨過程中邊坡表面孔隙水壓力的影響較小，且初始基質(zhì)吸力越大，受到降雨入滲的影響程度則越小。然而，由于填筑材料的差異性，渣土場邊坡的降雨滲流特征和穩(wěn)定性分析較常規(guī)邊坡復(fù)雜[14，20-21]，因此，初始滲流場對渣土場邊坡降雨入滲和穩(wěn)定性計算的影響值得深入研究。

筆者以深圳市部九窩渣土場邊坡為研究對象，結(jié)合室內(nèi)土工試驗及實際降雨資料，采用數(shù)值分析方法，在探討不同初始滲流場和不同降雨強度對渣土場邊坡的滲流特征影響的基礎(chǔ)上，研究了渣土場邊坡的安全系數(shù)變化規(guī)律。

1 計算原理

1.1 非飽和滲流原理

邊坡降雨入滲過程可認(rèn)為是典型的飽和非飽和滲流過程，通常認(rèn)為，在非飽和狀態(tài)下達西定律依然適用，介質(zhì)水力傳導(dǎo)度是含水率的函數(shù)，Richards等[22]建立了土體中液體瞬時流動的二維控制方程

2 有限元模型及計算方案

2.1 工程實例概況

選取深圳市部九窩人工渣土場邊坡作為研究對象，依據(jù)壓實度和施工工藝不同，可劃分為3個區(qū)：渣土區(qū)（壓實度為80%，坡比為1∶1.275）、填埋嚴(yán)控區(qū)（壓實度為85%，坡比為1∶1.25）和壩體區(qū)（壓實度為90%，坡比為1∶1.25），圖1為渣土場邊坡2017年12月的平面圖。研究場地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度22 ℃，年平均降雨量1 900 mm，降水量集中在三月到九月。

2.2 邊界條件及計算模型

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查確定圖1中的AB斷面為計算采用的剖面，剖面圖如圖2所示。采用理想彈塑性模型和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則在Geo-studio中建立數(shù)值分析模型[24]，模型共劃分13 232個節(jié)點和13 250個單元。在模型中設(shè)置監(jiān)測截面1、2、3，每個截面的高度為8.8 m，其中，在監(jiān)測截面1和2坡面處各有一個監(jiān)測點，在監(jiān)測截面3坡面處設(shè)置監(jiān)測點3，在離監(jiān)測點3的豎直方向4.4 m處設(shè)置監(jiān)測點4，各監(jiān)測截面和監(jiān)測點用來監(jiān)測邊坡在降雨過程中的滲流特征，監(jiān)測方案如圖2所示。初始地下水位位于巖土分界面，地下水位線以上土體處于飽和非飽和狀態(tài)。在降雨滲流計算中，定義坡面為單位流量邊界以模擬降雨入滲過程，同時，保證兩側(cè)和底部為不透水邊界。

根據(jù)室內(nèi)土工試驗所得結(jié)果，測得各巖土體的飽和滲透系數(shù)值和飽和體積含水率，并用式（2）和式（3）所示VG模型擬合得到巖土體非飽和滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線，如圖3所示。此外，當(dāng)土體的體積含水率達到其自身飽和體積含水率的90%時，則認(rèn)為土體已經(jīng)達到飽和狀態(tài)[19]，因此，沒有特別說明時，體積含水率大于或等于飽和含水率的90%的區(qū)域均視為飽和區(qū)范圍，即暫態(tài)飽和區(qū)（Transient Saturated Zone，簡稱TSZ）。巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 計算方案

結(jié)合深圳地區(qū)區(qū)域氣象條件，設(shè)計了如表2所示的3種工況。

由于直接測定坡體內(nèi)的初始基質(zhì)吸力分布比較困難，而且費時費力[16]，為了研究初始滲流條件對邊坡滲透特性和穩(wěn)定性的影響，參考前人研究[16-19]，假設(shè)地下水位以上土體基質(zhì)吸力呈線性增加，達到吸力上限后保持常數(shù)。假設(shè)坡體內(nèi)基質(zhì)吸力上限分別為-25、-50、-75 kPa，并通過微小降雨量形成穩(wěn)態(tài)滲流達到上限值[25]，將穩(wěn)態(tài)滲流形成的基質(zhì)吸力作為初始滲流條件，如圖4所示。3種工況在進行降雨入滲瞬態(tài)分析時均設(shè)置3種降雨強度q1、q2和q3，以此研究不同降雨強度下初始滲流場對邊坡降雨入滲特征和穩(wěn)定性的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 邊坡監(jiān)測點流速變化規(guī)律

當(dāng)降雨強度為q1～q3（1.5～3.5 mm/h）和不同初始滲流場時，監(jiān)測點1、2、3處Y方向流速隨降雨持時的變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，監(jiān)測點1、2、3的流速均是先增大后減小，最后略大于降雨強度，且同一情況下，監(jiān)測點2的流速最大，監(jiān)測點3的流速次之，監(jiān)測點1的流速最小;對于同一初始基質(zhì)吸力和監(jiān)測點，降雨強度越大，流速的峰值越大，且達到峰值的時間越短;對于同一降雨強度和監(jiān)測點，初始基質(zhì)吸力越大，流速的峰值越大，且達到峰值的時間越長。此外，當(dāng)初始基質(zhì)吸力為-25 kPa時，降雨強度越小，各監(jiān)測點間流速的數(shù)值差距越小，而當(dāng)初始基質(zhì)吸力減小至-75 kPa后，各監(jiān)測點間流速的數(shù)值差距越大。

3.2 邊坡監(jiān)測點暫態(tài)飽和區(qū)形成時間規(guī)律

當(dāng)降雨強度為q1～q3（1.5～3.5 mm/h）和不同初始滲流場時，監(jiān)測點1、2、3處的體積含水率隨降雨持時的變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，對于同一初始基質(zhì)吸力和監(jiān)測點，降雨強度越大，體積含水率上升速度越快，達到飽和的時間越短，降雨強度越小，暫態(tài)飽和區(qū)形成的時間越長，甚至不會出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，以圖6（a）中的監(jiān)測點1為例，監(jiān)測點1在q2和q3時達到飽和的時間分別為29、10.9 h，而在q1時沒有達到飽和;對于同一降雨強度和監(jiān)測點，初始基質(zhì)吸力越大，體積含水率上升速度越慢，達到飽和的時間越長，以圖6中的監(jiān)測點1為例（降雨強度q3），監(jiān)測點1在初始基質(zhì)吸力為-25、-50、-75 kPa時達到飽和的時間分別為10.9、20.2、25.5 h。

圖7為當(dāng)降雨強度為q3時，不同深度監(jiān)測點的體積含水率和Y方向流速的變化。由圖7可知，斜坡表面監(jiān)測點（監(jiān)測點3）的流速與體積含水率變化要快于坡體內(nèi)部的監(jiān)測點（監(jiān)測點4），表明暫態(tài)飽和區(qū)從坡表向坡內(nèi)擴展;對監(jiān)測點3而言，體積含水率隨著流速的增加而緩緩增大，當(dāng)流速達到峰值時，體積含水率也達到絕對飽和（28%），隨后流速開始下降，體積含水率開始保持不變。值得注意的是，監(jiān)測點3在120 h時的流速和體積含水率發(fā)生了突變（A點和B點），這是由于降雨導(dǎo)致了地下水位大幅度上升，且地下水已經(jīng)淹沒了監(jiān)測點3。

3.3 邊坡暫態(tài)飽和區(qū)形成深度規(guī)律

當(dāng)降雨強度在q1～q3（1.5～3.5 mm/h）和不同初始滲流場時，監(jiān)測截面1、2、3處的暫態(tài)飽和區(qū)深度隨降雨持時的變化關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，對于同一初始基質(zhì)吸力和監(jiān)測截面，降雨強度越大，暫態(tài)飽和區(qū)深度越大;對于同一降雨強度和監(jiān)測截面，初始基質(zhì)吸力越小，入滲深度越大，截面處暫態(tài)飽和區(qū)出現(xiàn)的范圍越大，體積含水率變化范圍越小，體積含水率在同一位置增大的幅度也越大。此外，當(dāng)降雨強度為q1時，截面1和2都沒有產(chǎn)生暫態(tài)飽和區(qū)，截面3的暫態(tài)飽和區(qū)深度也較小，最大值僅為1.15 m，而當(dāng)降雨強度為q3時，截面3的暫態(tài)飽和區(qū)深度最大值卻達8.79 m，由此可見，降雨強度會顯著影響邊坡是否會出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，而初始基質(zhì)吸力則會對暫態(tài)飽和區(qū)深度的數(shù)值產(chǎn)生影響。

3.4 邊坡孔隙水壓力變化規(guī)律

當(dāng)降雨強度為q1～q3（1.5～3.5 mm/h）和不同初始滲流場時，監(jiān)測點1、2、3處的孔隙水壓力隨降雨持時的變化關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，隨著降雨時間的持續(xù)，坡面孔隙水壓力出現(xiàn)了升高的趨勢。具體表現(xiàn)為：對于同一初始基質(zhì)吸力和監(jiān)測點處，降雨強度越大，入滲深度越大，孔隙水壓力上升速率越快，降雨結(jié)束后的孔隙水壓力也越小;對于同一降雨強度和監(jiān)測點處，初始基質(zhì)吸力較大的邊坡孔隙水壓力上升速率快于初始基質(zhì)吸力較低的邊坡，同時，坡面孔隙水壓力升高速率整體上逐漸減小并趨于水平，就降雨持續(xù)時間內(nèi)孔隙水壓力的數(shù)值而言，初始滲流條件對各情況下降雨結(jié)束后的孔隙水壓力的影響較小。由此可見，降雨強度會顯著影響孔隙水壓力增長的快慢，而初始基質(zhì)吸力影響較小。

3.5 降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析

由前述可知，在不同初始滲流場和降雨強度的影響下，降雨過程中邊坡的滲流特性和孔隙水壓力變化規(guī)律有所差異，因此，針對圖2所示邊坡，探討其邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。當(dāng)不考慮降雨時，對邊坡初始安全系數(shù)進行計算，最危險滑動面通過SLOPE/W程序自動搜索確定，采用有限單元應(yīng)力法求解安全系數(shù)，以初始基質(zhì)吸力為-25 kPa時為例，邊坡安全系數(shù)為1.623，最危險滑動面如圖10所示。由圖10可知，邊坡最危險滑動面同時位于壩體區(qū)和填埋嚴(yán)控區(qū)內(nèi)，考慮到壩體潰決的可能性，為簡單起見，在降雨持續(xù)過程中，分析壩體區(qū)內(nèi)（即監(jiān)測截面3）的暫態(tài)飽和區(qū)厚度的變化規(guī)律對邊坡穩(wěn)定性的影響。

降雨強度為q1～q3（1.5～3.5 mm/h）和不同初始滲流場時的邊坡安全系數(shù)變化如圖11所示。由圖11可知，暫態(tài)飽和區(qū)厚度對邊坡穩(wěn)定性影響顯著，且邊坡初始基質(zhì)吸力為-50、-75 kPa時，邊坡安全系數(shù)下降趨勢和暫態(tài)飽和區(qū)厚度增加趨勢均呈線性。此外，由圖11（a）可知，當(dāng)降雨強度為q1時，邊坡沒有產(chǎn)生暫態(tài)飽和區(qū)，且初始基質(zhì)吸力為-25 kPa時的安全系數(shù)下降速率最大;由圖11（b）可知，降雨強度為q2時暫態(tài)飽和區(qū)的最大厚度分別為6.00、2.15、1.34 m，降雨結(jié)束后，邊坡安全系數(shù)分別為1.439、1.653、1.693;由圖11（c）可知，當(dāng)降雨強度為q3時，初始基質(zhì)吸力為-25 kPa的邊坡安全系數(shù)下降呈非線性趨勢，最小值為1.241，相應(yīng)地，其暫態(tài)飽和區(qū)厚度增加也呈非線性趨勢，最大值為8.79 m。綜合圖11可知，在相同初始基質(zhì)吸力條件下，暫態(tài)飽和區(qū)厚度為8.79 m時的安全系數(shù)與沒有暫態(tài)飽和區(qū)時的安全系數(shù)最大相差0.272，降幅約21.91%;在相同降雨強度下，暫態(tài)飽和區(qū)厚度為8.79 m時的安全系數(shù)與暫態(tài)飽和區(qū)厚度為2.27 m時的安全系數(shù)最大相差0.429，降幅約35.37%。

當(dāng)初始基質(zhì)吸力為-25 kPa時，邊坡初始安全系數(shù)為1.623，具備很好的安全儲備，而經(jīng)歷120 h的強降雨后（q3=3.5 mm/h），安全系數(shù)只有1.241，且結(jié)合監(jiān)測點暫態(tài)飽和區(qū)形成時間規(guī)律可知，在降雨作用下，壩體區(qū)的地下水位大幅度上升，并已達到壩體區(qū)坡頂。目前，中國關(guān)于渣土場邊坡相關(guān)的設(shè)計規(guī)范還未成熟，若借鑒碾壓土石壩的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：壩坡正常條件下的最小安全系數(shù)為1.25（簡化畢曉普法），非正常運用條件Ⅰ時的最小安全系數(shù)為1.15（簡化畢曉普法）[26]。由此可知，在初始基質(zhì)吸力更小或遭遇強度更大的降雨時，若沒有相應(yīng)的工程措施，渣土場邊坡具有失穩(wěn)風(fēng)險。

4 討論

基于非飽和滲流原理和非飽和土強度理論建立數(shù)值模型，探討了初始滲流場和降雨強度對渣土場邊坡的降雨入滲特征及穩(wěn)定性的影響，得到的結(jié)論為渣土場的長期運營及排水防滲工作提供了參考依據(jù)。

一般而言，在數(shù)值模擬研究中，常規(guī)邊坡多為單級邊坡，且構(gòu)成物質(zhì)單一，其在降雨作用下的滲流特征和穩(wěn)定性分析已經(jīng)比較明確。然而，渣土場邊坡基本為多級邊坡，其填筑過程分階段、分區(qū)域進行，這使得不同區(qū)域的巖土體力學(xué)參數(shù)存在差異，從而改變了渣土場邊坡的滲流特征，并顯著影響邊坡穩(wěn)定性。具體體現(xiàn)為：需要綜合分析渣土場邊坡的整體穩(wěn)定性和渣及其各自區(qū)域內(nèi)單極邊坡的穩(wěn)定性。從文獻[15]可知，在降雨作用下，渣土場邊坡下部的安全系數(shù)要小于其上部和中部的安全系數(shù)，為簡單起見，只計算了渣土場邊坡下部的安全系數(shù)，分析了渣土場邊坡發(fā)生“潰壩”的失穩(wěn)隱患。綜合分析渣土場邊坡的多種失效模式將是下一步研究的工作重點。

另一方面，考慮初始滲流場影響的渣土場邊坡降雨入滲過程分析是從數(shù)值模擬的角度進行的，一定程度上可以為實際場地的相關(guān)分析提供理論支撐，在后續(xù)研究中應(yīng)通過現(xiàn)場監(jiān)測和模型試驗等手段對結(jié)果進行檢驗與修正。

5 結(jié)論

1）初始滲流場和降雨強度對渣土場邊坡的降雨入滲特征有顯著影響。初始基質(zhì)吸力越大，Y方向流速的峰值越大，達到峰值的時間越長，且體積含水率上升速度越慢，達到飽和的時間越長。降雨強度越大，Y方向流速的峰值越大，達到峰值的時間越短，且體積含水率上升速度越快，達到飽和的時間越短。

2）渣土場邊坡暫態(tài)飽和區(qū)的滲流特征可描述為：壩體區(qū)坡面以下土體迅速飽和，暫態(tài)飽和區(qū)范圍由壩體區(qū)坡腳附近加速向上部土體擴散，并逐漸覆蓋整個壩體區(qū)，同時由壩體區(qū)向填埋嚴(yán)控區(qū)漫延。

3）初始基質(zhì)吸力較大的邊坡孔隙水壓力上升速率快于初始基質(zhì)吸力較低的邊坡。渣土區(qū)的孔隙水壓力上升速率最快，填埋嚴(yán)控區(qū)和壩體區(qū)的孔隙水壓力上升速率差別不大。降雨強度會顯著影響孔隙水壓力增長的快慢，而初始基質(zhì)吸力影響較小。

4）初始滲流場對渣土場邊坡安全系數(shù)有顯著影響。邊坡安全系數(shù)與暫態(tài)飽和區(qū)厚度的關(guān)系為負(fù)相關(guān)。在初始基質(zhì)吸力為-25 kPa時，經(jīng)歷了120 h降雨后（3.5 mm/h），渣土場邊坡安全系數(shù)下降明顯，具有一定的失穩(wěn)風(fēng)險，因此，在渣土場進行填筑的過程中，為確保壩坡長期穩(wěn)定，應(yīng)充分考慮區(qū)域氣象條件對渣土場運營期穩(wěn)定性的影響，做好渣土場邊坡排水和防滲設(shè)施，防止發(fā)生壩體區(qū)潰壩。

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（編輯 王秀玲）